Teilprojekt: Regenwürmer

Räumliche und zeitliche Dynamik der Regenwürmer bei der Umstellung auf ökologischen Landbau

Zusammenfassung

Regenwürmer sind eine der wichtigsten Tiergruppen für den Nährstoff- und Wasserhaushalt des Bodens. Im Rahmen des Projektes werden seit 2001 die Regenwürmer monatlich auf einer Matrix von an 85 Probenpunkten von April bis Juni und von September bis November erfaßt. Im Durchschnitt der Jahre kamen 10 Arten mit einer durchschinttlichen Dichte von 92 Ind./m² und 5 g aschefreie Biomasse/m². Die räumliche und zeitliche Verteilung von Dichte und Biomasse läßt Abhängigkeiten von Klima und Bewirtschaftung erkennen. Lumbricus terrestris nahm signifikant nach der Umstellung auf ökologischen Anbau zu, die Dichte von L. rubellus stieg mit der Niederschlagsmenge an. Im trockenen Jahr 2003 brach die Regenwurmdichte dramatisch ein, im nassen Jahr 2002 zeichneten zeichneten sich stauwassergefährdete Bereiche durch niedrige Dichten aus, die sich erst nach 2 Jahren regenerierten. Insgesamt liegt die Bioturbation durch Regenwürmer auf der Ackerfläche bei schätzungsweise bei 24 bis 50 t/ha.

Stichwörter

Regenwürmer, Raum-Zeit-Dynamik, Ökolandbau, Klimaeinfluss, Bioturbation

Teilprojektinformationen

Teilprojektlaufzeit: seit 01.05.2001
Wissenschaftliche Koordination: Prof. Dr. Ulrich Irmler
Wissenschaftliche Bearbeiter: Prof. Dr. Ulrich Irmler

 

Erfassung und Funktion der Regenwürmer auf dem Gut Ritzerau als bodenbiologische Indikatoren

Einleitung

Regenwürmer kommen nicht nur in großer Anzahl in Ackerböden vor, sondern haben auch einen erheblichen positiven Einfluß auf die Bodenstruktur sowie den Wasser- und Stoffhaushalt. Außerdem dienen sie vielen Tieren als Nahrungsgrundlage. Gleichzeitig reagieren sie empfindlich auf verschiedene Umwelteinflüsse, wie Standort, Klima und Bodenbearbeitung, so daß sie allgemein als wichtige Bioindikatoren für eine nachhaltige Nutzung von Agrarökosystemen angesehen werden. Daher gibt es schon seit langem Untersuchungen zum Einfluß reduzierter Anbaumethoden auf die Populationsdichte und Funktion der Regenwürmer, um den positiven Effekt auf Böden und im Nahrungsnetz nachhaltig zu bewahren.

Das vorliegende Projekt hat daher vornehmlich die Aufgabe, die Entwicklung der Regenwurmpopulation während der Umstellung von konventionellem Anbau auf ökologischen Anbau zu untersuchen und aus den räumlichen und zeitlichen Daten Aussagen über den Effekt der Anbauweise auf die Regenwürmer abzuleiten. Es ergeben sich daraus folgende Fragen:

  • Welche Bedeutung hat der ökologische Anbau auf die Regenwurmpopulation im Rahmen der anderen bodenkundlichen und klimatischen Einflüsse?
  • In welchem Maße werden dadurch Funktionen des Bodens begünstigt, die für den Pflanzenbau von Bedeutung sind?

 

Methoden

Über die Ackerfläche wurde ein Raster von Probenpunkten gelegt, an denen je eine Probe mit einem Stechrahmen von 0.1 m² Fläche genommen wurde. In Abbildung 1 sind die 85 Probenpunkte aufgeführt.

Die bis zu 35 cm tief ausgehobene Erde wurde auf eine weiße Plastikplane geworfen und ca. 30 Minuten auf Regenwürmer durchgesehen. Innerhalb eines Jahres wurden mit Rücksicht auf die angestrebte langfristige Erhebung in dem geplanten Monitoring Programm in folgenden Monaten Proben genommen: April, Mai, Juni, September, Oktober, November. Die Wintermonate von Dezember bis März wurden wegen Frostgefahr, die Sommermonate Juli und August wegen Austrockungsgefahr ausgelassen.

Die gesammelten Regenwürmer wurden in Alkohol überführt, im Labor bis zur Art bestimmt und anschließend von der Gesamtmenge einer Probe das Trockengewicht und das aschefreie Trockengewicht ermittelt. Dazu wurden die Regenwürmer 24 Std. bei 105 °C getrocknet, auf einer Feinwaage gewogen und danach bei 450 °C im Muffelofen für 6 Std. verbrannt. Das verbleibende Aschegewicht wurde vom Trockengewicht subtrahiert, um das aschefreie Trockengewicht zu ermitteln.

 Ergebnisse

 Zusammensetzung der Regenwurmgemeinschaft

Insgesamt wurden 10 Regenwurmarten in den vier Jahren auf den Ackerflächen gefunden. Von diesen war Aporrectodea caliginosa die bei weitem häufigste Art (Abbildung 2). Sie macht weit über die Hälfte aller Regenwürmer aus. Im Mittel aller Proben wurden 92 Ind./m² festgestellt.

 

Beziehungen zwischen Standort, Klima und der Dichte von Regenwurmarten

Die räumliche Verteilung der Arten legt nahe, daß bestimmt Standortfaktoren für die Verteilung verantwortlich waren. Daher wurden die Dichten mit den Bodenparametern korreliert. Nur für A. caliginosa ergab sich eine signifikant positive Korrelation mit dem Gehalt an organischer Substanz im Boden (Abbildung 3). Die mittleren Dichten der anderen Arten waren mit keinem der Bodenparameter signifikant korreliert. Auch die Korrelation zwischen den durchschnittlichen Dichten von A. caliginosa und der organischen Substanz war nicht sehr eng. Der Regressionskoeffizienten von 0.33 ergibt nur ein Bestimmtheitsmaß von 0.11.

Weiterhin wurde geprüft, welche Arten auf die stark unterschiedlichen Klimabedingungen der Untersuchungsjahre reagieren. Hierzu wurden die mittleren Dichten der Regenwurmarten mit den Niederschlägen der einzelnen Jahre verglichen. Es ergeben sich grundlegend unterschiedliche Reaktionen auf die Niederschläge der vier Jahre. Die Beziehung zwischen der Dichte von Lumbricus rubellus und der jährlichen Niederschlagssumme war positiv signifikant (Abbildung 3). Danach wird die Dichte dieser Regenwurmart zu 96 % von der Höhe der jährlichen Niederschlagssume bestimmt. Die anezische Regenwurmart, Lumbricus terrestris, scheint unabhängig vom Klima im Verlauf der vier Jahre eine deutliche Steigerung der Dichte aufzuweisen.

Die Dichten der endogäischen Regenwurmarten, A. caliginosa und A. rosea, scheinen sowohl auf sehr hohe als auch auf sehr geringe jährliche Niederschläge negativ zu reagieren. Diesem Phänomen wurde bei der häufigsten Art, A. caliginosa, nachgegangen, in dem die räumliche Verteilung zwischen den Jahren verglichen wurde. Einige Ackerschläge, wie der nördliche Bereich von „Peperland (3)“ oder der „Hellberg“, wiesen in allen vier Jahren verhältnismäßig geringe Dichten auf. Dem gegenüber ragten die südlich daran angrenzenden Schläge, „Peperland (1)“ und „Stutenkoppel“, durch überdurchschnittlich hohe Dichten im Jahr 2001 hervor. Dies änderte sich 2002. Ein an den Mühlenbach grenzender Teil ließ einen starken Einbruch der Dichte erkennen, was auf die staunassen Verhältnisse besonders im Frühjahr 2002 zurückgeführt wird. Im Jahr 2003 war für diesen Bereich keine Erholung festzustellen. Die niedrigen Dichten erstreckten sich weiter auf die Hochfläche. Allgemein waren die Hochflächen im Jahr 2003 äußerst dünn besiedelt. Erst 2004 ist eine Erholung der Regenwurmpopulation auf den höher gelegenen Flächen wieder zu sehen. Wie bereits 2001, kristallisieren sich 2002 zwei Bereiche mit allgemein hohen Regenwurmpopulationen heraus, im Nordosten auf dem „Dachsberg“ und im Südwesten auf der „Stutenkoppel“ und dem „Seekamp“. Die Verteilung der Dichte von A. caliginosa scheint daher ein Produkt aus Standorteigenschaften und Klimaeigenschaften zu sein. 

Auswirkungen des ökologischen Anbaus auf die Regenwurmfauna

Aus der Verteilung einzelner Regenwurmarten läßt sich erkennen, daß sie einer Vielzahl von Einflußfaktoren unterliegen, die unabhängig von der Wirtschaftsform auf dem Acker sind. Der organische Gehalt und die Niederschlagsverhältnisse haben sich als besonders relevant herausgestellt. Es fällt daher noch schwer eindeutige Belege für eine Förderung der Regenwürmer durch den ökologischen Anbau zu erhalten. Deshalb wurden für diese Analyse die einzelnen Ackerschläge betrachtet, da sie verhältnismäßig ähnliche Standort- und Klimaverhältnisse über den Untersuchungszeitraum aufweisen (Abbildung 4). Die Äcker „Dachsberg“ und „Abenrade/ Peperland 3“ wurde 2002 geteilt, so daß in den Jahren 2002 bzw. 2003 ökologischer und konventioneller Anbau parallel liefen. Die Regenwurmdichte im konventionell betriebenen Bereich sank wegen der ungünstigen Witterungsbedingungen von 2001 bis 2003 stetig ab. Auf dem Acker „Dachsberg“ war auf dem ökologischen Teilbereich eine geringere Abnahme, in 2002 sogar eine signifikant (p = 0.01) höhere Dichte als auf dem konventionellen Teilschlag zu erkennen. Auf dem Acker „Abenrade/ Peperland 3“ war die Dichte auf dem ökologischen Teilbereich nicht signifikant geringer. 

Die tiefbohrende Regenwurm Art Lumbricus terrestris war insgesamt während der Untersuchungszeit durch ansteigende durchschnittliche Populationsdichten aufgefallen (Abbildung 5). Diese Tendenz könnte mit der zunehmenden ökologisch bewirtschafteten Fläche zusammenhängen. Daher wurde geprüft, ob die Steigerung der Dichte mit dem Zeitpunkt der Umstellung zusammenhängen kann. Dazu wurde die Äcker „Fuchsberg“ und „Hellberg“, die von 2001 auf 2002 bzw. von 2003 auf 2004 umgestellt wurden, verglichen (Abbildung 5). Nach diesem Vergleich läßt sich der Einfluß des Umstellungstermins auf die Dichte der Regenwurmart ablesen. Während auf dem „Fuchsberg“ bereits 2002 eine gegenüber 2001 höhere Dichte auftrat, war dieser Effekt auf dem „Hellberg“ erst 2003 zu erkennen. Im Mittel waren bei konventionellem Anbau 0,74 ± 1,26 Ind./m², bei ökologischem Anbau 1,74 ± 2,21 Ind./m² vorhanden. Dieser Unterschied von 1 Tier/m² war nach dem U-Test mit p = 0,009 signifikant. Für die anderen Regenwurmarten wurde kein derartiger Zusammenhang festgestellt . 

Da die Biomasse zur Analyse der funktionalen Bedeutung der Regenwürmer im Ökosystem eine wesentliche Größe darstellt, wurde auch die zeitliche und räumliche Heterogenität der aschefreien Biomasse untersucht. Vergleicht man insgesamt alle auf konventioneller und ökologischer Anbaufläche gemessenen Werte (n = 336, im konventionellen Anbau: 194, im ökologischen Anbau: 142) so ergibt sich ein etwas höherer Wert für die ökologische Anbaufläche mit einem Median von 4,2 gegenüber 4.4 für die konventionelle. Nach dem U-Test ist dieser Unterschied mit p = 0.02 signifikant. Dieser zunächst klare Unterschied relativiert sich jedoch, wenn man den zeitlichen Verlauf betrachtet (Abbildung 5). Im Wesentlichen ist er auf die höhere Biomasse im Jahr 2002 und die hohe Biomasse im Jahr 2004 zurückzuführen.


Diskussion und Abschätzung der Leistung der Regenwürmer

Langfristige Untersuchungen zur Entwicklung der Regenwürmer nach der Umstellung auf die ökologische Anbauweise wurden von Filser et al. (1999) in Bayern durchgeführt. Dort entwickelte sich die Regenwurmbiomasse von ca. 10 gTM/m² innerhalb von 6 Jahren auf über 25 gTM/m². Allerdings kamen bei diesen Untersuchungen ebenfalls hohe Schwankungen vor und die Biomasse sank auch in einem Jahr unter den Anfangswert. Außerdem wiesen Werte auf den benachbarten konventionell bewirtschafteten Flächen ähnliche Schwankungen auf wie auf den ökologisch bewirtschafteten. Eine eindeutige positive Entwicklung aufgrund der ökologischen Wirtschaftsweise war kaum nachweisbar. Pfiffner (1993) fand bei seinem Vergleich von Äckern auf Parabraunerde zwischen ökologischen und konventionellen Anbauweisen in der Schweiz signifikant höhere Biomassen der Regenwürmer bei ökologischer Wirtschaftsweise. In Untersuchungen, bei denen eine Intensivierung der landwirtschaftlichen Tätigkeit vorgenommen wurde, konnte entsprechend eine Reduzierung der Regenwurmdichte gefunden werden ( Curry et al. 2002). Ähnlich wie auf den Äckern des Hofes Ritzerau gibt Paoletti (1999) eine deutliche Förderung der Art Lumbricus terrestris bei ökologischer Bewirtschaftung an, während die zuvor erwähnten Autoren nur Angaben zur Gesamtbiomasse bzw. –dichte machen. Von vielen Autoren wird die Bodenbearbeitung und –verdichtung als wichtigste Ursache für den Rückgang der Regenwürmer im konventionellen Anbau angesehen, da z.B. mehr als 40% der Regenwürmer nach dem Pflügen tot aufgefunden wurden ( Boström 1995, Söchtig & Larink 1992, Langmaak et al. 1996). 

Neben der Art der Wirtschaftsweise sind zahlreiche andere Bodenparameter für die räumliche Verteilung von Regenwürmern verantwortlich gemacht worden. Helling (1998) fand eine räumliche Übereinstimmung zwischen der Dichte von Aporrectodea caliginosa und der organischen Substanz im Boden sowie dem Porenvolumen. Poier & Richter (1992) haben eine derartige Beziehung nur zwischen Lumbricus terrestris und der organischen Substanz gefunden und betonen, daß keine Korrelation zu A. caliginosa bestand. Diese Art war dagegen mit einer höheren Aggregatdichte im oberen Ap-Horizont positiv korreliert. Die Ergebnisse auf dem Hof Ritzerau unterstützen allerdings die Befunde von Helling (1998) Auch Untersuchungen im übrigen Schleswig-Holstein belegen einen Zusammenhang zwischen der Dichte der Art und den Bodenfaktoren pH-Wert, Ca-Gehalt und Gehalt an organischer Substanz (Irmler 1999).

Eine wichtige Funktion der Regenwürmer besteht in der Umlagerung des Bodens (Bioturbation). Durch Untersuchungen von Scheu (1987) läßt sich diese Leistung für die Art Aporrectodea caliginosa quantifizieren. Danach ist die Faecesproduktion sowohl abhängig von der Bodenfeuchte als auch von der Temperatur. Bei 10 bis 15 °C wurden von dieser Art bei 48 % Bodenfeuchte täglich zwischen 0.8 und 0.9 g Faeces/g Regenwurm produziert. Diese Berechnungen lassen sich auch für die Äcker des Hofes Ritzerau durchführen, wenn man die Temperaturwerte der Wetterstation Grambeck zu Grunde legt. Hierbei wurde die Werte der niedrigsten Bodenfeuchtestufe und die Minimumtemperatur der Wetterstation gewählt, da sie wahrscheinlich der Bodentemperatur am nächsten kommt. Die Werte für die Jahre und die unterschiedlichen Anbauweisen sind Tabelle 1 zu entnehmen: 

Diese Werte geben sicherlich nur einen groben Schätzwert an. Trotzdem vermitteln sie eine Abschätzung der Regenwürmer hinsichtlich der Bioturbation. In den Jahren liegen daher die Umsätze des Boden durch die Art zwischen 24 und 50 t/ha. Das entspricht einer Gesamtleistung von 4300 bis 9000 t auf den 180 ha Ackerfläche. Diese Werte liegen im Bereich der Angaben von Scheu (1987), der in einem Kalkbuchenwald ca. 3 kg m–2 a–1 fand. Da nach seinen Angaben dadurch ungefähr 0.5 cm Boden umgelagert werden, dürfte auf den Äckern des Hofes Ritzerau die Bioturbation im Jahr zwischen 0,5 und 1 cm Boden betragen. Diese mechanische Leistung der Regenwürmer geht zusätzlich noch einher mit qualtitativen Änderungen. So korreliert die Aggregatstabilität direkt mit der Regenwurmbiomasse ( Marashi & Scullion 2003).

Weiterhin wird die Wasserleitfähigkeit ( Joschko 1990) und Infiltrationsrate durch Regenwürmer beeinflußt. Für die anezische Art, Lumbricus terrestris, wurde eine positive Korrelation zwischen der Anzahl der Tiere oder der Biomasse und der Infiltrationsrate festgestellt ( Nuutinen et al. 2001). Nach den Untersuchungen von Shipitalo et al. (2004) tragen die Regenwurmröhren der Art bei einer Dichte von 3.25 Röhren/m² und einer durchschnittlichen Infiltrationsrate von 79,7 mm h–1 mit 70 mm h–1 bei. Diese Dichte liegt etwas höher als die auf den ökologisch bewirtschafteten Flächen des Hofes Ritzerau mit 1,3 bis 2,6 Ind/m². Gegenüber der konventionellen Bewirtschaftung hatte sich die Dichte der Art aber um das 3-5fache erhöht. Es ist daher anzunehmen, daß die Infiltrationsrate um den Faktor 3-5 auf den konventionellen Flächen niedriger ist als auf den ökologischen.

Wie lassen sich die Ergebnisse für die Regenwürmer bislang im Hinblick auf die Wirtschaftsweisen des ökologischen Landbaus bewerten? Die einzige Art, die deutliche positive Reaktionen auf den ökologischen Anbau aufweist, ist der anezische Lumbricus terrestris . Für diese Art sind vornehmlich positive Einflüsse hinsichtlich der Wasserleitfähigkeit zu erwarten. Allerdings ist sie geringfügig auch an Bodenumlagerungen beteiligt, da sie Kothaufen, die zusätzlich erhöhte mikrobielle Aktivität und Anreichung organischer Substanz aufweisen ( Maraun et al. 1999), auf der Bodenoberfläche ablegt.

Für die endogäischen Arten ist noch keine deutliche Förderung durch den ökologischen Anbau nachzuweisen. Dies liegt möglicherweise daran, daß diese Arten stärker als die anezischen Arten auf das Jahresklima reagieren. Wahrscheinlich bevorzugen sie mittlere Verhältnisse. Bei zu starken Niederschlägen werden sie durch Staunässe, bei trockenen Sommern durch die Trockenheit reduziert. Eine Regeneration dauert lokal länger als ein Jahr, so daß die Dichte der beiden wichtigsten Arten, A. caliginosa und A. rosea, sowohl die starken klimatischen Schwankungen, die Präferenz bestimmter Bodenparameter und die Wirtschaftsweise widerspiegeln. Der Effekt der Wirtschaftsweise kann sich daher nur langfristig manifestieren und wird möglicherweise durch klimatische Effekte in stark vom langjährigen Mittel abweichenden Jahren unterbrochen.

Noch stärker als die endogäischen Arten scheinen die epigäischen Arten von den Niederschlägen abzuhängen. Für die häufigste Art, L. rubellus, ergab sich eine deutliche Abhängigkeit zur jährlichen Höhe der Niederschläge. Dieser Zusammenhang wird auch dadurch unterstützt, daß ihre Dichte hauptsächlich von der Bodenfeuchte abhängt (Irmler 1999).

Es ist daher schwer, die zukünftige Entwicklung der Regenwurmfauna zu prognostizieren. Es kann zwar vermutet werden, daß die Regenwürmer durch den ökologischen Anbau durchschnittlich gefördert werden, aber klimatische Einflüsse können zu Einbrüchen führen. Daher müssen auch langfristige klimatische Entwicklungen berücksichtigt werden, wie z.B. die klimatischen Veränderungen im Rahmen der Klimaerwärmung. Diese kann im Winter durch relativ hohe Temperaturen bei hoher Bodenfeuchte die Aktivität der Regenwürmer erhöhen; möglicherweise wird dieser Effekt aber durch eine Zunahme trockener Sommer kompensiert. Auch die Zunahme von Extrema, wie sehr nasse Jahre oder sehr trockene Jahre, werden durch die globale Klimaänderung hervorgerufen und sind bei der langfristigen Entwicklung zu berücksichtigen. Wieweit in diesem Rahmen durch die Wirtschaftsweise ein negativer klimatischer Effekte kompensiert werden kann, läßt sich zur Zeit noch nicht abschätzen




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